曹辰 孫曉宇 梁傳濤 黃改煥 王超 賈麗麗 胡大政 程貴陽(yáng)

摘?要：高壓斷路器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，具有控制和和保護(hù)線路和設(shè)備作用。操動(dòng)機(jī)構(gòu)是斷路器的核心組成部分，其良好的運(yùn)動(dòng)機(jī)械特性，是斷路器獲得優(yōu)良的開斷性能的保證。以35kV真空斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)為例，本文利用Solidworks軟件建立裝配模型，聯(lián)合Adams仿真分析軟件，進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程、機(jī)械特性的仿真分析。將Adams仿真分析結(jié)果，機(jī)構(gòu)行程、動(dòng)觸頭行程、動(dòng)觸頭合閘速度、分閘速度與樣機(jī)機(jī)械特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合分析，驗(yàn)證了仿真模型和參數(shù)設(shè)置的合理性，為后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：斷路器;彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu);仿真分析;機(jī)械特性試驗(yàn)

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備。高壓斷路器在電網(wǎng)中起著兩方面的作用，一是控制作用，根據(jù)需要把一部分線路或設(shè)備投入或退出運(yùn)行。二是保護(hù)作用，在線路或設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)將故障部分切除，以確保無故障部分的安全運(yùn)行[1]。

操動(dòng)機(jī)構(gòu)是斷路器的驅(qū)動(dòng)部件，也是核心組成部分。只有保證斷路器分、合閘速度等機(jī)械特性，才能使斷路器獲得優(yōu)良的開斷性能，最終才能實(shí)現(xiàn)斷路器的作用[2，3]。

Kun Wang等對(duì)CT26彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的模型進(jìn)行Adams仿真，模擬分析彈簧剛度系數(shù)和摩擦系數(shù)對(duì)斷路器動(dòng)態(tài)特性的影響[4]。Ferhat Hamza等提出改進(jìn)算法，對(duì)凸輪效率及阻力進(jìn)行優(yōu)化[5]。Kim等對(duì)彈簧動(dòng)力學(xué)及摩擦力對(duì)凸輪影響進(jìn)行研究，Tong等利用Adams軟件對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真并進(jìn)行優(yōu)化[6，7]。

王坤利用Pro/E、Adams軟件建立操動(dòng)機(jī)構(gòu)模型，進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，為運(yùn)動(dòng)特性和應(yīng)力特性研究提供理論指導(dǎo)和參考依據(jù)[8]。苗紅霞等利用UG軟件建模，并對(duì)高壓斷路器特性進(jìn)行研究;楊武等利用多體系統(tǒng)仿真軟件包對(duì)VS1高壓斷路器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真研究[9，10]。

本文利用Solidworks軟件完成彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型建立，并導(dǎo)入Adams仿真分析軟件中，對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)機(jī)械特性等進(jìn)行了仿真分析[11，12]。通過與樣機(jī)機(jī)械特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，驗(yàn)證了仿真模型和參數(shù)設(shè)置的合理性，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 斷路器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

斷路器的絕緣支柱瓷套安裝在接地的支架上，滅弧室安裝在支柱滅弧瓷套的上部，支柱瓷套底部的密封拉桿與底架中部安裝的彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，通過操動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出軸和絕緣拉桿帶動(dòng)動(dòng)觸頭實(shí)現(xiàn)斷路器的合分閘操作。如圖1所示。

2 仿真建模

首先用Solidworks軟件建立機(jī)構(gòu)的三維模型，如圖2所示。然后打開Adams軟件，將三維模型文件導(dǎo)入。

2.1 編輯構(gòu)件和添加約束

操動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型簡(jiǎn)化后，對(duì)導(dǎo)入模型構(gòu)件元素屬性進(jìn)行質(zhì)量屬性編輯，對(duì)零件屬性進(jìn)行編輯。針對(duì)模型構(gòu)件，依據(jù)實(shí)際的工作情況添加運(yùn)動(dòng)副，保證彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)按照約束關(guān)系進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。其中主要零部件間約束關(guān)系的添加情況，儲(chǔ)能軸和凸輪之間創(chuàng)建固定副，儲(chǔ)能軸和大地之間創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副，垂直拉桿和輸出軸之間創(chuàng)建球鉸副，如圖3、表1所示。

2.2 施加載荷、驅(qū)動(dòng)

為盡量減少仿真分析的計(jì)算量，也為了更加直接地分析彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的合閘、分閘過程，將模型調(diào)整至分閘未儲(chǔ)能狀態(tài)，同時(shí)將三相本體簡(jiǎn)化為中間一相，對(duì)應(yīng)保留一件分閘彈簧，另外動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力及電動(dòng)力采用施加阻尼的方式替代。

根據(jù)以上分析內(nèi)容，按照載荷施加要求，對(duì)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)施加合閘彈簧力2處，本體施加分閘彈簧力1處，動(dòng)觸頭施加阻尼1處。合閘彈簧剛度系數(shù)按照41N/mm設(shè)定，經(jīng)過計(jì)算，此時(shí)合閘彈簧拉力為-3500N;分閘彈簧的剛度系數(shù)也按照41N/mm，分閘彈簧拉力設(shè)為-2000N;動(dòng)觸頭阻尼數(shù)值設(shè)為0.5N·s/mm。

根據(jù)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分閘過程添加驅(qū)動(dòng)，機(jī)構(gòu)進(jìn)行分閘動(dòng)作時(shí)，需要對(duì)分閘摯子施加驅(qū)動(dòng)，模擬分閘電磁鐵動(dòng)鐵芯對(duì)分閘脫扣板的脫扣動(dòng)作。輸入的STEP函數(shù)為：step（time，0.04，0，0.045，-80）+step（time，0.05，0，0.06，80）。

該函數(shù)的含義是在0.04～0.045s內(nèi)對(duì)分閘半軸上的脫口板施加-80N的保持力，在0.05～0.045s內(nèi)對(duì)分閘半軸上的脫口板施加80N的脫扣力。

綜上，彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真模型載荷及驅(qū)動(dòng)的施加結(jié)果，如圖4所示。

2.3 仿真分析

本節(jié)模擬操動(dòng)機(jī)構(gòu)分別在合閘彈簧和分閘彈簧的作用下，帶動(dòng)斷路器動(dòng)觸頭合閘和分閘的過程，仿真分析獲得機(jī)構(gòu)行程，動(dòng)觸頭行程，合、分閘時(shí)間和速度數(shù)據(jù)。

彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，機(jī)構(gòu)輸出行程37mm，動(dòng)觸頭行程22±3mm，分閘時(shí)間不大于60ms，合閘時(shí)間小于75ms，平均合閘速度0.8±0.3m/s，分閘速度在1.7±0.3m/s。

根據(jù)圖5得出：機(jī)構(gòu)合閘行程39mm，動(dòng)觸頭合閘行程約30mm，合閘時(shí)間45ms，平均合閘速度約0.6m/s。前兩項(xiàng)均略大于設(shè)計(jì)要求，后兩項(xiàng)滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)圖6得出：機(jī)構(gòu)分閘行程39mm，動(dòng)觸頭分閘行程約30mm，分閘時(shí)間約20ms，平均分閘速度1.5m/s。前兩項(xiàng)均略大于設(shè)計(jì)要求，后兩項(xiàng)滿足設(shè)計(jì)要求。

3 機(jī)械特性試驗(yàn)

利用武漢大洋機(jī)械特性儀對(duì)真空斷路器樣機(jī)進(jìn)行合閘、分閘速度等特性的測(cè)試。生成合閘、分閘特性曲線圖。如圖7所示。圖中橫、縱坐標(biāo)分別對(duì)應(yīng)時(shí)間、行程，單位分別是ms、mm，圖中特性曲線包括行程曲線、斷口線、線圈電流曲線，且后兩個(gè)曲線的單位不顯示[13]。

選中“速度分析”選項(xiàng)，可將標(biāo)線A移動(dòng)至合閘行程起始點(diǎn)，將標(biāo)線B移至合閘行程終點(diǎn)，特性儀會(huì)自動(dòng)在“分析速度”顯示區(qū)內(nèi)顯示合閘速度為0.9m/s;標(biāo)線B移至電壓變化處，可以獲得橫坐標(biāo)即為合閘時(shí)間47ms。同樣可得分閘速度為1.6m/s;分閘時(shí)間為20ms。根據(jù)機(jī)械特性試驗(yàn)結(jié)果分析可得，分、合閘時(shí)間以及分、合閘速度均滿足彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

4 仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合分析

仿真模型與實(shí)際樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)是否吻合，需要通過將兩類數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。主要包括四組數(shù)據(jù)：合閘過程中動(dòng)觸頭行程、合閘過程中動(dòng)觸頭合閘速度、分閘過程中動(dòng)觸頭行程、分閘過程中動(dòng)觸頭分閘速度。動(dòng)觸頭合閘行程擬合分析、動(dòng)觸頭合閘速度擬合分析，分別如圖8所示。動(dòng)觸頭合閘行程仿真分析數(shù)據(jù)略高于樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，合閘時(shí)間仿真分析數(shù)據(jù)也大于樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但行程變化趨勢(shì)吻合。

盡管動(dòng)觸頭合閘速度在合閘啟動(dòng)時(shí)及合閘結(jié)束時(shí)，樣機(jī)數(shù)據(jù)波動(dòng)更加明顯（考慮到建模環(huán)境與實(shí)際工況還是有區(qū)別，受力情況更加復(fù)雜，特別是因零件表面粗糙度造成摩擦力不同，會(huì)影響曲線的變化），但是兩者中間過程均比較平穩(wěn)，變化規(guī)律相似?？傮w來看，動(dòng)觸頭合閘速度數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)比較吻合。

動(dòng)觸頭分閘行程擬合分析、動(dòng)觸頭分閘速度擬合分析分別如圖9所示。動(dòng)觸頭分閘行程仿真分析數(shù)據(jù)略高于樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分閘時(shí)間比較接近，誤差在允許范圍內(nèi)，綜合來看兩者分閘行程曲線變化趨勢(shì)相吻合。

動(dòng)觸頭分閘速度曲線前半部分，仿真分析數(shù)據(jù)與樣機(jī)數(shù)據(jù)變化規(guī)律類似，但仿真數(shù)據(jù)曲線更加光滑自然;后半部分因?yàn)榉抡婢彌_效果不如與樣機(jī)的緩沖效果好，所以樣機(jī)速度變化更為舒緩。綜合來看兩者動(dòng)觸頭分閘速度曲線變化趨勢(shì)相吻合。

根據(jù)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真分析結(jié)果與樣機(jī)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合分析結(jié)果，可以驗(yàn)證仿真建模及參數(shù)設(shè)置的合理性，結(jié)果較準(zhǔn)確。因此，可以通過調(diào)整不同參數(shù)數(shù)值，來檢驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性，為后續(xù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供指導(dǎo)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用Solidworks軟件完成35kV真空斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型并聯(lián)合Adams動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件，對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)機(jī)械特性等進(jìn)行了仿真分析，將機(jī)構(gòu)行程、動(dòng)觸頭行程、動(dòng)觸頭合閘速度、分閘速度與樣機(jī)機(jī)械特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合分析，驗(yàn)證了仿真模型和參數(shù)設(shè)置的合理性，為后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]伍中宇.超高壓斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)特性研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2008.

[2]徐國(guó)政，張節(jié)容，錢家驪，等.高壓斷路器原理和應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.

[3]Li W，F(xiàn)ang C E， Zhou L L，etal. Simulation and Testing of Operating Characteristic of 27.5kV Vacuum Circuit Breaker with Permanent Magnetic Actuator[J].Proceedings-International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum，ISDEIV，2008，1：125-128.

[4]Kun Wang， Guoqing Chen， Shuting Wan， Pei Tian. Dynamic simulation analysis of CT26 operating mechanism of high-voltage circuit breaker based on ADAMS[P].Proceedings of the 2016 International Conference on Advanced Electronic Science and Technology （AEST 2016），2016：12.

[5]Ferhat Hamza， Hammoudi Abderazek， Smata Lakhdar， Djeddou Ferhat， Ali Riza Yildiz. Optimum design of cam-roller follower mechanism using a new evolutionary algorithm[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2018，99（5-8）：1267-1282.

[6]Kim，K.Y.A.A.Influence of Spring Dynamics and Friction on a Spring-Actuated Cam System[J].Archive of Applied Mechanics.2006.71（8）：497-508.

[7]Tong，Chen，Wenchao， Hu.A study of improving the design of low voltage circuit breaker operating mechanism based on the virtual prototype technology[P].Computer Science and Automation Engineering （CSAE），2012 IEEE International Conference on，2012：808-811.

[8]王坤.高壓斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真及應(yīng)力分析[D].保定：華北電力大學(xué)，2017.

[9]苗紅霞，王宏華，齊本勝.高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)建模與仿真研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2010，46（17）：212-215.

[10]楊武，榮命哲，陳德桂，等.基于機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性仿真的高壓斷路器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，36（12）：1211-1214.

[11]丁源.Solidworks 2016從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社.2017.

[12]李增剛.ADAMS入門講解與實(shí)例[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社.2001：1-293.

[13]梁傳濤.超高壓斷路器液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[D].青島：山東科技大學(xué)，2014.